RU95391U1

RU95391U1 - SHELL-TUBE HEAT EXCHANGER

Info

Publication number: RU95391U1
Application number: RU2009116049/06U
Authority: RU
Inventors: Марина Викторовна Мирзоян; Ашот Гамлетович Мирзоян; Николай Григорьевич Гладков; Владимир Иванович Головин; Евгений Николаевич Янкин; Игорь Викторович Карманов
Original assignee: Оао "Сатэкс"
Priority date: 2009-04-29
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2010-06-27

Abstract

1. Кожухотрубный теплообменник, содержащий полый кожух, размещенный в кожухе пакет труб, каждая из которых с обоих концов выполнена в виде параллельных оси трубы многогранных поверхностей, при примыкании которых друг к другу образуются трубные доски, и средства турбулизации потока в межтрубном пространстве, отличающийся тем, что средства турбулизации потока в межтрубном пространстве образованы дистанционными элементами шайбообразной формы, которые жестко установлены на всех трубах по крайней мере в каждой из двух и более плоскостей, перпендикулярных продольной оси пакета труб, и контактируют между собой по внешней круговой поверхности, а многогранные поверхности концов труб выполнены в форме правильного шестиугольника, причем диаметр вписанной в этот шестиугольник окружности равен диаметру внешней круговой поверхности дистанционных элементов. ! 2. Кожухотрубный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что дистанционные элементы выполнены в виде круговых колец, а трубы выполнены с поперечными кольцевыми канавками, в которых размещены круговые кольца. ! 3. Кожухотрубный теплообменник по п.2, отличающийся тем, что трубные доски по внешнему контуру выполнены в форме многогранника, например, шестиугольника, геометрически вписанного в контур внутренней поверхности кожуха. ! 4. Кожухотрубный теплообменник по п.3, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным герметичным кожухом, стягивающим пакет труб и выполненным в поперечном сечении по форме многогранника внешнего контура трубных досок. 1. Shell-and-tube heat exchanger containing a hollow casing, a package of pipes placed in the casing, each of which at both ends is made in the form of polyhedral surfaces parallel to the pipe axis, when adjacent to each other pipe boards are formed, and means for turbulent flow in the annular space, characterized in that the means of turbulization of the flow in the annular space are formed by spacer washer-shaped elements that are rigidly mounted on all pipes in at least each of two or more planes, not perpendicular to the longitudinal axis of the tube bundle, and are in contact with each other along an external circular surface, and the polyhedral surfaces of the pipe ends are made in the form of a regular hexagon, the diameter of the circle inscribed in this hexagon is equal to the diameter of the outer circular surface of the distance elements. ! 2. The shell-and-tube heat exchanger according to claim 1, characterized in that the distance elements are made in the form of circular rings, and the pipes are made with transverse annular grooves in which the circular rings are placed. ! 3. The shell-and-tube heat exchanger according to claim 2, characterized in that the tube plates along the outer contour are made in the form of a polyhedron, for example, a hexagon, geometrically inscribed in the contour of the inner surface of the casing. ! 4. The shell-and-tube heat exchanger according to claim 3, characterized in that it is provided with an additional tight casing tightening the pipe bundle and made in cross section in the form of a polyhedron of the outer contour of the tube sheets.

Description

Изобретение относится к разработке и проектированию теплообменных аппаратов и может быть использовано в промышленной теплоэнергетике, химической, пищевой и других областях промышленности.The invention relates to the development and design of heat exchangers and can be used in industrial heat power, chemical, food and other industries.

Известен кожухотрубный теплообменник, содержащий полый цилиндрический кожух, размещенный в кожухе пакет труб и плоские дистанционные пластины между соседними рядами труб (Патент РФ №2151991, МКИ F28D 3/02, заявл. 22.11.1996, опубл. 27.06.2000). В этом теплообменнике достигается высокая жесткость и устойчивость пакета труб, однако эффективность теплообмена остается на низком уровне.Known shell-and-tube heat exchanger containing a hollow cylindrical casing, placed in the casing packet of pipes and flat spacing plates between adjacent rows of pipes (RF Patent No. 2151991, MKI F28D 3/02, application. 22.11.1996, publ. 27.06.2000). This heat exchanger achieves high rigidity and stability of the pipe package, but the heat transfer efficiency remains low.

Наиболее близким по технической сущности является кожухотрубный теплообменник, содержащий полый кожух, размещенный в кожухе пакет труб, каждая из которых с обоих концов выполнена в виде параллельных оси трубы многогранных поверхностей, при примыкании которых друг к другу образуются трубные доски, и средства турбулизации потока в межтрубном пространстве (Патент РФ №2157494, МКИ F28D 3/04, заявл. 20.05.1998, опубл. 10.10.2000). Введенные средства турбулизации потока в виде труб со спиральными многозаходными поверхностями теплообмена позволяют повысить коэффициент теплопередачи, но отсутствие элементов жесткости пакета труб ограничивает область использования таких теплообменников.The closest in technical essence is a shell-and-tube heat exchanger containing a hollow shell, a packet of pipes placed in the shell, each of which at both ends is made in the form of polyhedral surfaces parallel to the pipe axis, when adjacent to each other pipe boards are formed, and means for turbulent flow in the annular space (RF Patent No. 2157494, MKI F28D 3/04, application. 05.20.1998, publ. 10.10.2000). The introduced means of turbulizing the flow in the form of pipes with spiral multi-pass heat exchange surfaces can increase the heat transfer coefficient, but the absence of stiffening elements of the pipe package limits the scope of use of such heat exchangers.

Целью изобретения является одновременное решение задач обеспечения высокой эффективности теплообмена и обеспечения жесткости и устойчивости пакета труб при упрощении конструкции и повышении технологичности изготовления теплообменника.The aim of the invention is the simultaneous solution of the problems of ensuring high efficiency of heat transfer and ensuring rigidity and stability of the pipe package while simplifying the design and improving the manufacturability of the heat exchanger.

Сущность изобретения заключается в том, что в кожухотрубном теплообменнике, содержащем полый кожух, размещенный в кожухе пакет труб, каждая из которых с обоих концов выполнена в виде параллельных оси трубы многогранных поверхностей, при примыкании которых друг к другу образуются трубные доски, и средства турбулизации потока в межтрубном пространстве, указанные средства турбулизации потока в межтрубном пространстве образованы дистанционными элементами шайбообразной формы, которые жестко установлены на всех трубах по крайней мере в каждой из двух и более плоскостей, перпендикулярных продольной оси пакета труб, и контактируют между собой по внешней круговой поверхности, а многогранные поверхности концов труб выполнены в форме правильного шестиугольника, причем диаметр вписанной в этот шестиугольник окружности равен диаметру внешней круговой поверхности дистанционных элементов.The essence of the invention lies in the fact that in a shell-and-tube heat exchanger containing a hollow casing, a tube package is placed in the casing, each of which at both ends is made in the form of polyhedral surfaces parallel to the pipe axis, when adjacent to each other pipe boards are formed, and means for turbulent flow in the annular space, these means of turbulization of the flow in the annular space are formed by spacer washer-shaped elements that are rigidly mounted on all pipes at least in Doi of two or more planes perpendicular to the longitudinal axis of the tube packet, and contact each other on the outer circumferential surface, and polyhedral surfaces of the pipe ends are in the form of a regular hexagon, the diameter of the inscribed in the hexagon diameter is equal to the circumference of the outer circumferential surface of the spacer elements.

Предпочтительным вариантом является выполнение дистанционных элементов в виде круговых колец, а труб - с поперечными кольцевыми канавками, в которых размещены круговые кольца.The preferred option is to make the distance elements in the form of circular rings, and pipes with transverse annular grooves in which the circular rings are placed.

Также предпочтительно, что трубные доски по внешнему контуру могут быть выполнены в форме многогранника, например, шестиугольника, геометрически вписанного в контур внутренней поверхности кожуха, а теплообменник в целом может быть снабжен дополнительным герметичным кожухом, стягивающим пакет труб и выполненным в поперечном сечении по форме многогранника внешнего контура трубных досок.It is also preferable that the tube boards along the outer contour can be made in the form of a polyhedron, for example, a hexagon, geometrically inscribed in the contour of the inner surface of the casing, and the heat exchanger as a whole can be equipped with an additional tight casing tightening the tube packet and made in cross section in the shape of a polyhedron external contour of tube sheets.

В предложенной полезной модели решение поставленных задач достигается за счет того, что дистанционные элементы, которые контактируют между собой в заданных поперечных плоскостях и задают устойчивое взаиморасположение труб в пакете, одновременно играют роль турбулизатора, создавая гидравлическое сопротивление для потока в межтрубном пространстве.In the proposed utility model, the solution of the tasks is achieved due to the fact that the distance elements that contact each other in predetermined transverse planes and define a stable relative position of the pipes in the packet simultaneously play the role of a turbulator, creating hydraulic resistance for the flow in the annulus.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 представлена общая схема кожухотрубного теплообменника, на фиг.2 - единичная труба с концевой частью, на фиг.3 - вид на торец концевой части трубы, на фиг.4 - вид с торца на трубные доски, образованные концевыми частями труб, на фиг.5 - взаимное расположение единичных труб в пакете, задаваемое дистанционными элементами в поперечном сечении.The invention is illustrated in the drawing, in which Fig. 1 is a general diagram of a shell-and-tube heat exchanger, in Fig. 2 is a unit pipe with an end part, in Fig. 3 is an end view of an end part of a pipe, in Fig. 4 is an end view of a tube plate, formed by the end parts of the pipes, in Fig.5 - the relative position of the individual pipes in the package, defined by the distance elements in the cross section.

Кожухотрубный теплообменник содержит (Фиг.1) полый цилиндрический кожух 1, внутри которого размещен пакет 2 труб, концевые части которых образуют с противоположных торцев пакета трубные доски 3. Кожух теплообменника снабжен торцевыми патрубками 4 для первого теплоносителя, и боковыми патрубками 5 для второго теплоносителя. Единичная труба 6 (Фиг.2) выполнена с обоих концов в виде многогранных поверхностей 7, параллельных оси трубы и имеющих в поперечном сечении форму правильного шестиугольника (Фиг.3). На внешней поверхности каждой единичной трубы 6 выполнены поперечные кольцевые канавки 8, образующие при использовании технологического метода накатки соответствующие выступы 9 на внутренней поверхности труб. В поперечных канавках 8 устанавливаются дистанционные элементы 10 шайбообразной формы, которые могут быть выполнены в виде круговых колец (плоских шайб). Трубные доски 3 пакета 2 труб 6 по внешнему контуру имеют форму многогранника (Фиг.4), геометрически вписанного в окружность внутренней поверхности цилиндрического кожуха 1. Указанный многогранник может иметь в поперечном сечении форму шестиугольника. При этом такое же сечение имеет и пакет 2 труб 6 на всей длине. По форме этого сечения выполняется дополнительный герметичный кожух 11, охватывающий и стягивающий пакет труб. В таком состоянии единичные трубы 6 жестко контактируют между собой по поверхностям концевых частей в образованных трубных досках 3 и по круговым поверхностям дистанционных элементов 10, образуя межтрубное проходное сечение 12 (Фиг.5). Жесткость гарантирована равенством диаметра вписанной во внешний контур шестиугольного сечения концевых частей труб 6 и диаметра внешней круговой поверхности дистанционных элементов 10.The shell-and-tube heat exchanger contains (Fig. 1) a hollow cylindrical casing 1, inside which a packet of 2 pipes is placed, the end parts of which form tube boards 3 from the opposite ends of the packet. The heat exchanger casing is provided with end pipes 4 for the first heat carrier and side pipes 5 for the second heat carrier. A single pipe 6 (Figure 2) is made at both ends in the form of polyhedral surfaces 7 parallel to the axis of the pipe and having a regular hexagon in cross section (Figure 3). On the outer surface of each unit pipe 6, transverse annular grooves 8 are made, which, when using the technological rolling method, form corresponding protrusions 9 on the inner surface of the pipes. In the transverse grooves 8, spacer-shaped distance elements 10 are installed, which can be made in the form of circular rings (flat washers). The tube boards 3 of a packet of 2 pipes 6 along the outer contour have the shape of a polyhedron (Figure 4), geometrically inscribed in a circle around the inner surface of the cylindrical casing 1. The specified polyhedron may have a hexagonal cross section. In this case, the packet of 2 pipes 6 along the entire length has the same cross section. The shape of this section is an additional tight casing 11, covering and tightening the package of pipes. In this state, the unit pipes 6 are rigidly in contact with each other on the surfaces of the end parts in the formed tube boards 3 and on the circular surfaces of the spacing elements 10, forming an annular cross-section 12 (Figure 5). Rigidity is guaranteed by the equality of the diameter of the end parts of the pipes 6 inscribed in the outer contour of the hexagonal section and the diameter of the outer circular surface of the distance elements 10.

Кожухотрубный теплообменник работает следующим образом.Shell-and-tube heat exchanger operates as follows.

В торцевые патрубки 4 поступает первый теплоноситель, проходящий по трубам пакета 2, а в боковые патрубки 5 - второй теплоноситель, проходящий в межтрубном сечении вдоль пакета труб. Проходя по трубам, имеющим выступы 9 на внутренней поверхности, первый теплоноситель подвергается интенсивному турбулентному перемешиванию. Второй теплоноситель, проходящий в межтрубном сечении, образованном трубами и круговыми поверхностями дистанционных элементов, также подвергается турбулентному перемешиванию при обтекании дистанционных элементов. Коэффициент теплопередачи увеличивается за счет увеличения коэффициентов теплоотдачи первого и второго теплоносителей. Скорость течения первого и второго теплоносителей может быть увеличена, так как в пакете труб, стянутом дополнительным герметичным кожухом по круговым поверхностям дистанционных элементов, отсутствуют автоколебания труб. Это также увеличивает коэффициент теплопередачи.The first coolant enters the end pipes 4, passing through the pipes of the package 2, and the second coolant passes into the side pipes 5, passing in the annular section along the pipe bundle. Passing through pipes having projections 9 on the inner surface, the first coolant undergoes intensive turbulent mixing. The second coolant passing in the annular section formed by pipes and circular surfaces of the distance elements is also subjected to turbulent mixing during the flow around the distance elements. The heat transfer coefficient increases due to an increase in the heat transfer coefficients of the first and second heat carriers. The flow rate of the first and second coolants can be increased, since there are no pipe self-oscillations in the pipe bundle, tightened by an additional tight casing along the circular surfaces of the distance elements. It also increases the heat transfer coefficient.

При реализации противоточной схемы движения теплоносителей оба теплоносителя выходят из кожухотрубного теплообменника через торцевой и боковой патрубки, соответственно, с противоположных концов.When implementing a countercurrent flow diagram of the coolant, both coolants exit the shell-and-tube heat exchanger through the end and side pipes, respectively, from opposite ends.

В предложенном решении дистанционные элементы шайбообразной формы, размещенные в поперечных кольцевых канавках, и кольцевые канавки труб турбулизируют потоки в межтрубном пространстве и внутри труб за счет срыва потока с выступов дистанционных элементов и кольцевых канавок, а также за счет постоянного изменения давления теплоносителей при уменьшении живого сечения трубы выступами кольцевых канавок и уменьшении межтрубного проходного сечения круговыми поверхностями дистанционных элементов.In the proposed solution, spacer washer-shaped elements located in transverse annular grooves and annular pipe grooves turbulent the flows in the annulus and inside the pipes due to flow stall from the protrusions of the spacer elements and annular grooves, as well as due to the constant change in heat carrier pressure with a decrease in living section pipes with protrusions of annular grooves and a decrease in the annular bore with the circular surfaces of the distance elements.

Каждая труба в пакете труб контактирует по внешней круговой поверхности дистанционного элемента с шестью соседними дистанционными элементами и дополнительным герметичным кожухом для внешних труб пакета. Дополнительный герметичный кожух, стягивающий пакет труб, опирается вершинами шестиугольника на контур, который является, как правило, окружностью, внутренней поверхности кожуха. Таким образом, создается жесткое закрепление пакета труб внутри цилиндрического кожуха и достигается отсутствие автоколебаний и провисания труб для теплообменников с любой длиной труб.Each pipe in the pipe package contacts the outer circumferential surface of the remote element with six adjacent remote elements and an additional tight casing for the external pipes of the package. An additional tight casing, tightening the packet of pipes, is supported by the vertices of the hexagon on a contour, which is, as a rule, the circumference of the inner surface of the casing. Thus, a rigid fastening of the tube package inside the cylindrical casing is created and the absence of self-oscillations and sagging pipes for heat exchangers with any pipe length is achieved.

Единичные трубы, выполненные с обоих концов в виде шестигранных поверхностей, легко собираются в пакет, образующий на концах трубные доски в виде шестиугольников, которые соединяются с помощью пайки или сварки концов труб. Кроме того, такая конструкция трубных досок позволяет в два раза уменьшить потери давления в пакете труб по сравнению с обычными трубными системами.Single pipes, made at both ends in the form of hexagonal surfaces, are easily assembled into a package that forms tube sheets in the form of hexagons at the ends, which are connected by soldering or welding the ends of the pipes. In addition, this design of tube plates allows you to halve the pressure loss in the tube package compared to conventional pipe systems.

Дополнительный герметичный кожух, имеющий в поперечном сечении форму шестигранника, вписанного во внутреннюю поверхность кожуха, кроме функции стягивания пакета труб, ограничивает теплоноситель в межтрубном проходном сечении, обеспечивает параллельное течение теплоносителей, увеличивает турбулентное перемешивание теплоносителя при обтекании дистанционных элементов.An additional tight casing, having a cross-section in the form of a hexagon inscribed in the inner surface of the casing, in addition to the function of tightening the tube bundle, limits the coolant in the annular cross-section, provides parallel flow of coolants, and increases turbulent mixing of the coolant when flowing around the distance elements.

Claims

1. Shell-and-tube heat exchanger containing a hollow casing, a package of pipes placed in the casing, each of which at both ends is made in the form of polyhedral surfaces parallel to the pipe axis, when adjacent to each other pipe boards are formed, and means for turbulent flow in the annular space, characterized in that the means of turbulization of the flow in the annular space are formed by spacer washer-shaped elements that are rigidly mounted on all pipes in at least each of two or more planes, not perpendicular to the longitudinal axis of the tube bundle, and are in contact with each other along an external circular surface, and the polyhedral surfaces of the pipe ends are made in the form of a regular hexagon, the diameter of the circle inscribed in this hexagon is equal to the diameter of the outer circular surface of the distance elements.

2. The shell-and-tube heat exchanger according to claim 1, characterized in that the distance elements are made in the form of circular rings, and the pipes are made with transverse annular grooves in which the circular rings are placed.

3. The shell-and-tube heat exchanger according to claim 2, characterized in that the tube plates along the outer contour are made in the form of a polyhedron, for example, a hexagon, geometrically inscribed in the contour of the inner surface of the casing.

4. The shell-and-tube heat exchanger according to claim 3, characterized in that it is equipped with an additional sealed casing tightening the pipe bundle and made in cross section in the form of a polyhedron of the outer contour of the tube sheets.